C++基础：（三）类和对象（上）—— 类的定义与实例化

_OP_CHEN

发布于 2026-01-14 09:46:24

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文章被收录于专栏：C++C++

前言

在面向对象编程（OOP）中，类和对象是构建软件系统的核心概念。类作为对象的抽象模板，定义了数据属性和行为方法，而对象则是类的具体实例，承载实际的数据和操作。理解类的定义与实例化是掌握OOP的关键第一步，它为后续的继承、封装和多态等高级特性奠定了基础。本文将从语法到实践，系统讲解如何通过类描述现实世界的实体，并通过实例化将抽象设计转化为可运行的代码逻辑。下面就让我们正式开始吧！

一、类的定义

1.1 类定义格式

如下面的代码所示，class是C++中用于定义类的关键字，Stack为类的名字，{ }中就是类的主体。需要注意的是，在类定义结束的时候，后面的分号不能省略。类中的内容称为类的成员，类中的变量被称为类的属性或成员变量，类中的函数被称为类的方法或成员函数。

#include<iostream>
using namespace std;

class Stack
{ 
public:
    // 成员函数
    void Init(int n = 4)
    {
        array = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
        if (nullptr == array)
        {
            perror("malloc申请空间失败");
            return;
        } 
        capacity = n;
        top = 0;
    } 

    void Push(int x)
    {
        // ...扩容
        array[top++] = x;
    }

    int Top()
    {
        assert(top > 0);
        return array[top - 1];
    } 

    void Destroy()
    {
        free(array);
        array = nullptr;
        top = capacity = 0;
    }

private:
    // 成员变量
    int* array;
    size_t capacity;
    size_t top;
}; // 分号不能省略

为了区分成员变量，我们一般习惯上会给成员变量加上一个特殊标识，如成员变量前面或者后面加上 _ 或 m 开头，注意在C++中这并不是强制的，这只是使用的惯例，具体还需要看工作所在公司的要求。如下所示：

class Date
{ 
public:
    void Init(int year, int month, int day)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    }

private:
    // 为了区分成员变量，⼀般习惯上成员变量
    // 会加⼀个特殊标识，如_ 或者 m开头
    int _year; // year_ m_year
    int _month;
    int _day;
};

在C++中，struct也可以定义类，C++中是兼容C中struct的用法的，同时还将struct升级成了类，明显的变化是struct中可以定义函数，一般情况下我们还是推荐使用class来定义类。如下：

#include<iostream>
using namespace std;

// C++升级struct升级成了类
// 1、类⾥⾯可以定义函数
// 2、struct名称就可以代表类型

// C++兼容C中struct的⽤法
typedef struct ListNodeC
{
    struct ListNodeC* next;
    int val;
}LTNode;

    // 不再需要typedef，ListNodeCPP就可以代表类型
    struct ListNodeCPP
    {
        void Init(int x)
        {    
            next = nullptr;
            val = x;
        } 

        ListNodeCPP* next;
        int val;
};

定义在类中的成员函数默认是内联函数（inline），详情可见上期博客。

1.2 访问限定符

访问限定符是C++中一种实现封装的方式，即用类将对象的属性与方法相结合，让对象更加完善，通过访问权限选择性地将其接口提供给外部的用户使用。访问限定符分为public、private和protected三种。

public修饰的成员在类外是可以直接被访问的，而protected和private修饰的成员在类外是不能直接被访问的，protected和private是一样的，在后续的继承相关的知识中才能看出他们的区别。

访问权限的作用域从该访问限定符出现的位置开始直到下一个访问限定符出现为止。如果后面没有访问限定符，作用域就到 } ，即类结束的位置。

class定义成员没有被访问限定符修饰的时候就默认为private，如果用struct定义则默认为public。

一般类的成员变量都会被限制为private/protected，需要给别人使用的成员函数才会放为public。

1.3 类域

类定义了一个新的作用域，类的所有成员均处于该作用域内。当在类体外定义成员时，必须使用 :: 作用域操作符明确指定该成员所属的类域。

类域主要影响编译过程中的名字查找规则。例如在下面的程序中，若成员函数 Init 未指定类域Stack，编译器会将其视为全局函数，此时查找 array 等成员时会因在全局域中找不到相应声明/定义而报错。而当指定 Stack::Init 后，编译器便知晓这是类的成员函数，在当前作用域找不到 array 等成员时，会自动到 Stack 类的作用域中继续查找。

#include<iostream>
using namespace std;

class Stack
{ 
public:
    // 成员函数
    void Init(int n = 4);
private:
    // 成员变量
    int* array;
    size_t capacity;
    size_t top;
};

// 声明和定义分离，需要指定类域
void Stack::Init(int n)
{
    array = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
    if (nullptr == array)
    {
        perror("malloc申请空间失败");
        return;
    } 
    
    capacity = n;
    top = 0;
}

二、实例化

2.1 实例化概念

用类类型在物理内存中创建对象的过程，称为类实例化出对象。

类是对象的一种抽象描述，是一个类似于模型的东西，限定了类有哪些成员变量。这些成员变量只是声明，没有分配空间，当用类实例化出对象时，才会分配空间。

一个类可以创建出多个对象实例，这些实例会占用实际的物理内存空间，用于存储类的成员变量。这就好比建筑施工：类如同建筑设计图，它规定了房屋的结构（包含多少房间、各房间的大小和功能等），但设计图本身并非实体建筑，也无法直接供人居住；而按照设计图建造出的房子才是可使用的实体。类与对象的关系也是如此——类仅定义了数据的组织结构，自身不能存储实际数据；只有通过实例化创建出的对象，才会被分配物理内存来存储具体数据。

下面是有关类实例化出对象的代码操作演示：

#include<iostream>
using namespace std;

class Date
{ 
public:
    void Init(int year, int month, int day)
    {
        _year = year;
        _month = month;
        _day = day;
    } 

    void Print()
    {
        cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
    }
    
private:
    // 这⾥只是声明，没有开空间
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

int main()
{
    // Date类实例化出对象d1和d2
    Date d1;
    Date d2;

    d1.Init(2024, 3, 31);
    d1.Print();

    d2.Init(2024, 7, 5);
    d2.Print();

    return 0;
}

2.2 对象大小

类实例化产生的对象中包含哪些成员呢？每个对象都拥有独立的数据空间，因此必然包含成员变量。那成员函数是否也包含在对象中呢？

首先，函数经编译后会成为一段指令，这些指令存储在专门的代码段中，无法直接存放在对象里。若要在对象中体现成员函数，只能通过存储函数指针的方式。但进一步分析会发现，这种存储并无必要：例如用Date类实例化出d1和d2两个对象，它们虽各自拥有独立的成员变量（_year/_month/_day）来存储数据，但调用的成员函数（Init/Print）其实是同一个，对应的函数指针也完全相同。若在每个对象中都存储这份指针，无疑是种浪费。

试想，若用Date类创建100个对象，就会重复存储100份相同的成员函数指针，这显然不合理。实际上，普通成员函数的指针根本无需存储——函数调用在编译链接阶段就已确定具体地址，会被编译为 call 地址 这样的汇编指令，无需在运行时动态查找。只有涉及动态多态时，才需要在对象中存储函数地址以实现运行时绑定，这部分内容我们会在后续详细讲解。

在上面的内容中，我们分析了对象中只存储成员变量，而C++作出规定，类实例化出的对象也是要符合内存对齐的规则的。内存对齐规则如下：

第一个成员变量在与结构体偏移量为0的地址处。
其他成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍的地址处。
需要注意：对齐数 = 编译器默认的⼀个对齐数与该成员大小的较小值。
在VS中默认的对齐数为8。
结构体的总大小为：最大对齐数（所有变量类型最大者与默认对齐参数取最小）的整数倍。
如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体会对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍。

下面我们来看看几个对象大小的计算示例：

#include<iostream>
using namespace std;

// 计算⼀下A/B/C实例化的对象是多⼤？
class A
{ 
public:
    void Print()
    {
        cout << _ch << endl;
    }
private:
    char _ch;
    int _i;
};

class B
{ 
public:
    void Print()
    {
        //...
    }
};

class C
{};

int main()
{
    A a;
    B b;
    C c;
    cout << sizeof(a) << endl;
    cout << sizeof(b) << endl;
    cout << sizeof(c) << endl;

    return 0;
}

1. 类 A 的对象 a：大小为 8 字节

类 A 包含两个成员变量：char _ch（1 字节）和int _i（4 字节）。根据内存对齐规则（这里是 int 的 4 字节）：

_ch占用 1 字节后，会填充 3 字节以满足 4 字节对齐；
_i接着占用 4 字节，正好对齐。总大小为 1 + 3（填充） + 4 = 8 字节。注意：成员函数Print()不占用对象空间，它存储在代码段中。

2. 类 B 的对象 b：大小为 1 字节

类 B 没有成员变量，但包含成员函数Print()。

由于空类（或只有成员函数的类）实例化时需要占据至少 1 字节的空间（用于区分不同的对象实例），因此sizeof(b)的结果为 1 字节。

3. 类 C 的对象 c：大小为 1 字节

类 C 是完全空的类（没有任何成员）。

同样遵循 "空类实例需占 1 字节" 的规则，目的是确保每个对象都有唯一的内存地址，因此sizeof(c)的结果为 1 字节。

程序的输出结果会是：

8
1
1

三、this指针

在Date类中，Init与Print这两个成员函数的函数体本身并未对不同对象做出区分，那当d1调用这些函数时，函数如何知道应该访问d1而非d2的成员呢？这就要依靠C++提供的隐含this指针来解决。

编译器在编译时，会为类的每个成员函数自动在形参列表的第一个位置添加一个当前类类型的指针，这就是this指针。例如Date类的Init函数，其实际原型会变为：void Init(Date* const this, int year, int month, int day)。

成员函数中对成员变量的访问，本质上都是通过this指针完成的。比如Init函数中给_year赋值的操作，实际执行的是 this->_year = year 。

C++规定，不能在实参或形参中显式写出this指针（这部分由编译器自动处理），但在函数体内内部可以显式使用this指针。

如下面示例代码所示：

#include<iostream>
using namespace std;

class Date
{ 
public:
    // void Init(Date* const this, int year, int month, int day)
    void Init(int year, int month, int day)
    {
        // 编译报错：error C2106: “=”: 左操作数必须为左值
        // this = nullptr;
        // this->_year = year;
        _year = year;
        this->_month = month;
        this->_day = day;
} 

void Print()
{
    cout << _year << "/" << _month << "/" << _day << endl;
}

private:
    // 这⾥只是声明，没有开空间
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

int main()
{
    // Date类实例化出对象d1和d2
    Date d1;
    Date d2;

    // d1.Init(&d1, 2024, 3, 31);
    d1.Init(2024, 3, 31);
    d1.Print();

    d2.Init(2024, 7, 5);
    d2.Print();

    return 0;
}

下面我们来看几道选择题，来测试一下前面所学的知识：

1.下面程序编译运行结果是（）

A、编译报错 B、运行崩溃 C、正常运行

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{ 
public:
    void Print()
    {
        cout << "A::Print()" << endl;
    }
private:
    int _a;
};

int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->Print();
    return 0;
}

这个程序的运行结果是C、正常运行，输出A::Print()。原因分析如下：在 C++ 中，成员函数的调用并不依赖于对象指针是否为nullptr，因为成员函数的地址在编译时就已确定，调用时只需要知道具体的函数入口即可。本题中：

p是一个指向A类型的空指针（nullptr）
Print()是类A的非静态成员函数，且函数体内没有访问任何成员变量（如_a）

当执行p->Print()时：

编译器会将其转换为A::Print(p)的形式（通过 this 指针传递）
由于Print()函数内部没有访问this指针指向的成员变量（即没有使用_a），即使this指针为nullptr，也不会引发内存访问错误
函数可以正常执行并输出结果

如果Print()函数中访问了成员变量（如cout << _a << endl;），此时程序会因访问空指针指向的内存而运行崩溃（选项 B）。但当前代码中不存在这种情况，因此程序能正常运行。

2.下面程序编译运行的结果是（）

A、编译报错 B、运行崩溃 C、正常运行

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{ 
public:
    void Print()
    {
        cout << "A::Print()" << endl;
        cout << _a << endl;
    }
private:
    int _a;
};

int main()
{
    A* p = nullptr;
    p->Print();
    return 0;
}

这个程序的运行结果是B、运行崩溃。

原因分析如下：

与上一题相比，本程序的Print()函数中增加了对成员变量_a的访问：

cout << _a << endl;  // 本质是 cout << this->_a << endl;

当执行p->Print()时：

p是一个空指针（nullptr），作为this指针传递给Print()函数
函数执行到cout << _a << endl;时，实际会尝试访问this->_a
由于this指针为nullptr，访问其指向的成员变量_a属于空指针解引用操作，这会导致程序运行时崩溃

这种情况下，编译过程不会报错（语法上没有问题），但程序在运行时会因非法内存访问而崩溃。

因此，答案是B、运行崩溃。

3.this指针存在内存的哪个区域？（）

A. 栈 B.堆 C.静态区 D.常量区 E.对象里面

this 指针存在于栈中，答案选 A。原因分析： this 指针是成员函数的隐含形参，在调用成员函数时由编译器自动传递。形参的存储位置与函数的其他局部变量一样，都位于栈区。当对象调用成员函数时，编译器会将对象的地址作为 this 指针的实参，传递给成员函数的第一个形参位置（栈区）。因此，this 指针的生命周期与函数调用同步，函数执行结束后，this 指针会随栈帧一起被销毁。

四、C++和C语言实现Stack对比

面向对象的程序设计思路有着三大特性：封装、继承、多态，下面我们就通过C++和C语言实现Stack的对比来初步了解一下封装。

C实现Stack代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>

typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
    STDataType* a;
    int top;
    int capacity;
}ST;

void STInit(ST* ps)
{
    assert(ps);
    ps->a = NULL;
    ps->top = 0;
    ps->capacity = 0;
} 

void STDestroy(ST* ps)
{
    assert(ps);
    free(ps->a);
    ps->a = NULL;
    ps->top = ps->capacity = 0;
} 

void STPush(ST* ps, STDataType x)
{
    assert(ps);
    // 满了， 扩容
    if (ps->top == ps->capacity)
    {
        int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;
        STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity * sizeof(STDataType));
        if (tmp == NULL)
        {
            perror("realloc fail");
            return;
        } 
        
        ps->a = tmp;
        ps->capacity = newcapacity;
    } 

    ps->a[ps->top] = x;
    ps->top++;
} 

bool STEmpty(ST* ps)
{
    assert(ps);
    return ps->top == 0;
} 

void STPop(ST* ps)
{
    assert(ps);
    assert(!STEmpty(ps));
    ps->top--;
} 

STDataType STTop(ST* ps)
{
    assert(ps);
    assert(!STEmpty(ps));

    return ps->a[ps->top - 1];
} 

int STSize(ST* ps)
{
    assert(ps);
    return ps->top;
} 

int main()
{
    ST s;
    STInit(&s);

    STPush(&s, 1);
    STPush(&s, 2);
    STPush(&s, 3);
    STPush(&s, 4);
    while (!STEmpty(&s))
    {
        printf("%d\n", STTop(&s));
        STPop(&s);
    } 

    STDestroy(&s);

    return 0;
}

C++实现Stack代码

#include<iostream>
using namespace std;

typedef int STDataType;
class Stack
{ 
public:
    // 成员函数
    void Init(int n = 4)
    {
        _a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * n);
        if (nullptr == _a)
        {
            perror("malloc申请空间失败");
            return;
        } 

        _capacity = n;
        _top = 0;
    }

    void Push(STDataType x)
    {
        if (_top == _capacity)
        {
            int newcapacity = _capacity * 2;
            STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(_a, newcapacity * sizeof(STDataType));
            if (tmp == NULL)
            {
                perror("realloc fail");
                return;
            }

            _a = tmp;
            _capacity = newcapacity;
        } 

        _a[_top++] = x;
    } 

    void Pop()
    {
        assert(_top > 0);
        --_top;
    } 

    bool Empty()
    {
        return _top == 0;
    } 

    int Top()
    {
        assert(_top > 0);
        return _a[_top - 1];
    } 

    void Destroy()
    {
        free(_a);
        _a = nullptr;
        _top = _capacity = 0;
    }

private:
    // 成员变量
    STDataType* _a;
    size_t _capacity;
    size_t _top;
};

int main()
{
    Stack s;
    s.Init();
    s.Push(1);
    s.Push(2);
    s.Push(3);
    s.Push(4);
    while (!s.Empty())
    {
        printf("%d\n", s.Top());
        s.Pop();
    } 
    
    s.Destroy();

    return 0;
}

通过以上两份代码的对比，我们发现C++实现Stack在形态上还是发生了挺多变化的，但是底层和逻辑上没有什么变化：

在C++中，数据和函数被封装到类里，同时通过访问限定符（public/private/protected）进行访问控制，避免了通过对象随意修改数据的问题。这是C++封装特性最核心的体现，其本质是对类内成员进行更严格、规范的管理，从语法层面减少非法访问和修改带来的错误。当然，封装的内涵不止于此，后续还会深入学习更多相关内容。
C++提供了不少简化开发的语法：比如给Init函数设置缺省参数，调用时可灵活省略部分参数；成员函数无需手动传递对象地址，编译器会通过隐含的this指针自动传递，大幅简化了代码；此外，使用类类型时无需像C语言那样用typedef重命名，直接用类名即可，进一步提升了使用便捷性。
我们在C++入门阶段实现的Stack类，虽然写法上和C语言的结构体实现有明显区别，但核心逻辑和功能变化不大。等后续学习STL中用适配器实现的Stack时，大家就能更直观地感受到C++语法设计的灵活性与高效性。